(57)【要約】【課題】  熱と電界によりＣＮＴから電子エミッションを行う熱電界エミッション方式を用いて、表示性能を十分に発揮しながら、低消費電力を実現することにより、電池等の電源装置にかかる負荷を低減し、ＦＥＤの小型・軽量化に好適な省エネルギー発光装置を提供する。【解決手段】  電子をエミッションするカソードと、カソードとの間に電界をかけてカソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、カソードからエミッションされ、電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、発光部材と、を有し、カソードからエミッションされて電子加速電極により加速された電子が、発光部材に衝突することにより蛍光部材を励起・発光させた後にコレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされたコレクタを負電極とし、電子をエミッションしたカソードを正電極とする等価な電源を形成し、供給される電力を再利用する。【選択図】図１
2007066853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、発光部材と、を有し、
前記カソードからエミッションされて前記電子加速電極により加速された電子が、前記発光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することにより省エネルギーを実現することを特徴とする省エネルギー発光装置。
【請求項２】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、変圧器（トランスフォーマ）、を有し、
前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを、前記変圧器の１次側巻線の少なくとも１個の端子に接続し、電子をエミッションした前記カソードを前記変圧器の１次側巻線の他の少なくとも１個の端子に接続することにより前記変圧器の１次側巻線に電流を流し、前記変圧器の２次側巻線に電磁誘導現象により発生する電圧に電気的負荷を接続することにより、電力を前記電気的負荷に供給することにより電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１記載の省エネルギー発光装置。
【請求項３】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極と相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、変圧器（トランスフォーマ）、を有し、
前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源の正電極と負電極の間に電気的負荷を接続することにより電流を流し、前記電源に発生する電力を前記電気的負荷に供給することにより電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置。
【請求項４】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、
前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極および前記第二電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置。
【請求項５】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極によって加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記第二電子加速電極の近傍に配置された第三電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、
前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極および前記第二電子加速電極により加速された電子が前記第三電子加速電極に加える電圧により発生する電界によって電子の飛翔方向が曲げられることにより前記第二電子加速電極に衝突する電子の数を少なくし、前記電子が飛翔し、加速されて前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、前記電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置。
【請求項６】
電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極によって加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記第二電子加速電極の近傍に配置された第三電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、
前記カソードに接近して配置された前記電子引出電極において、前記カソードを負電極とし、前記電子引出電極を正電極とするパルス電圧を加えることにより、前記カソードから電子をエミッションさせ、前記第一電子加速電極を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によって加速された前記電子が前記第一電子加速電極に衝突しないように、前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極を配置し、前記第二電子加速電極を負電極とし、前記第三電子加速電極を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によってエミッションされた前記電子の軌道が曲げられることにより、前記電子は前記第一電子加速電極から離れた軌道を飛翔して蛍光部材の方向に向い、前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に、前記電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、前記電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界エミッション型発光装置の改良に関し、電子エミッション源からエミッションされて蛍光部材に衝突し、蛍光部材の励起・発光に使用された電子を回収・再利用することにより消費電力を少なくし、発光装置を小型・軽量化するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型表示装置（ＦＥＤ：Field Emission Display）は、表示性能に優れ、薄型、低消費電力等の特長から次世代のＦＰＤ（Flat
Panel Display）や面発光の照明用光源として期待されている。特にカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）やダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）をカソードとして用いることにより、低電圧で高効率の電子エミッション源が得られることから、高輝度で高品位の表示装置および発光装置の実現の可能性が高まっている。ＦＥＤをさらに低消費電力化する工夫として、印加電圧の抑制（特許文献１参照）、外光反射機能の制御（特許文献２参照）、ゲート電圧とカソード電圧の調整（特許文献３参照）、変調信号の調整（特許文献４参照）、負の電子親和力を持つ電子放出体による方法（特許文献５参照）等が提案されているが、放出（エミッション）された電子を回収・再利用することにより省エネルギー電子機器を実現する技術は知られていない。
【０００３】
一般に電子のエミッション方式には、熱電子エミッションと電界エミッションがある。熱電子エミッションの方式はＣＲＴを用いる通常のブラウン管テレビなどのディスプレイに用いられている。これに対し、電界エミッションはＦＥＤ等に用いられるが、完全な冷陰極を用いる方式とカソードに少し熱を加えて電子をエミッションする熱電界エミッション方式がある。ＦＥＤの低消費電力性能は、カソードとしてＣＮＴなどの冷陰極を用いて構成することに負うところが大きいが、完全冷陰極のカソードを用いるとカソードに全く熱を加えないので、以下に示す欠点がある。
【０００４】
（１）ディスプレイには多くの画素（pixel）を必要とする。全ての画素は光を発するが、発光量は電気的に制御されている。各画素が発光するために供給する電力が同じであっても、発生する光量にばらつきがあると、各画素間の色にばらつきが発生し、ディスプレイ画面の品質が低下する。従って、各画素の色のばらつきを最小限に押さえる必要がある。しかし、カソードに全く熱を供給しない完全冷陰極方式の場合には、各画素間の発光はカソードの先端の幾何学的形状で決定されるのであるが、製造の際にカソードの微細先端部の形状のばらつきが避けられず、これを完全に押さえ、均質な極微小カソードを多量に製造することは非常に困難である。従って、冷陰極から常温で電子をエミッションする方式（完全冷陰極方式）では、画素間のばらつき現象によりディスプレイの性能を向上させることは困難であり、これがＦＰＤの実用機の性能向上を阻害している。
【０００５】
（２）完全冷陰極構造の場合には、カソードに強い電界を加えて電子をエミッションさせる必要があるので、高電圧装置が必要である。しかし、高電圧を加えると、漏れ電流が大きくなり、漏れ電流によるエネルギーの損失も増加し、ディスプレイの低消費電力化や装置全体の小型化が困難となる。
【０００６】
（３）完全冷陰極構造の場合には、電界を集中させるためにカソードの先端が尖っており、この微少先端構造を長時間にわたり電子放出をしながら保持するには超高真空を必要とする。もし、真空容器内の真空度が低下すると、真空中のイオンがカソードの先端部に衝突し、電子エミッション能力が低下し、ディスプレイの耐久性が劣ることになる。
【０００７】
以上の３項目は常温で冷陰極カソードを用いて電子エミッションを行う方式（完全冷陰極方式）を用いるディスプレイには致命的な欠点であり、これらの全てを克服することは非常に困難であると言われている。  
【０００８】
本発明者は、ＣＮＴのエミッション機能を研究する過程で、熱と電界を用いる電子エミッションの方式によれば、陰極表面の吸着ガスの脱分離やイオン衝撃による表面の荒れの復元が早急に行われ、少し低い真空度でも電子エミッションを長時間にわたり維持する知見を得たので、カソードに少量の熱を加えて電子エミッションを行う熱電界エミッション方式を活用する新規な発光装置および照明装置を発明するに至った。
【特許文献１】特開２００２−３６７５４３号公報
【特許文献２】特開２００２−０２３６５５号公報
【特許文献３】特開２００１−３５０４４４号公報
【特許文献４】特開２０００−０２００１９号公報
【特許文献５】特開平９−３２０４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的とするところは、熱と電界によりＣＮＴから電子エミッションを行う熱電界エミッション方式を用いて、表示性能を十分に発揮しながら、低消費電力を実現することにより、電池等の電源装置にかかる負荷を低減し、ＦＥＤの小型・軽量化に好適な省エネルギー発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、発光部材と、を有し、前記カソードからエミッションされて前記電子加速電極により加速された電子が、前記発光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することにより省エネルギーを実現することを特徴とする省エネルギー発光装置である。本発明において前記「等価な電源」は、「等価電池」と言い換えることもでき、電気的負荷に接続して電力（電気エネルギー）の回収・再利用のための電源とすることができる。
【００１１】
また請求項２の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、変圧器（トランスフォーマ）、を有し、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを、前記変圧器の１次側巻線の少なくとも１個の端子に接続し、電子をエミッションした前記カソードを前記変圧器の１次側巻線の他の少なくとも１個の端子に接続することにより前記変圧器の１次側巻線に電流を流し、前記変圧器の２次側巻線に電磁誘導現象により発生する電圧に電気的負荷を接続することにより、電力を前記電気的負荷に供給することにより電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１記載の省エネルギー発光装置である。前記電気的負荷の例として、カソードを加熱するためのヒーターを挙げることができ、カソードの電子エミッションを効率的且つ安定的に行うための熱源とすることができる。
【００１２】
また請求項３の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、コレクタと前記電子加速電極および前記電子引出電極と相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、変圧器（トランスフォーマ）、を有し、前記カソードからエミッションされ、前記電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突することにより前記蛍光部材を励起・発光させた後に電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源の正電極と負電極の間に電気的負荷を接続することにより電流を流し、前記等価電池に発生する電力を前記電気的負荷に供給することにより電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置である。本発明の前記変圧器を備えることにより、回収する電力を外部に取り出し、例えば電源用電池の充電などに利用することができる。
【００１３】
また請求項４の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極により加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極および前記第二電子加速電極により加速された電子が、前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置である。本発明の構成を備えることにより、エミッションされた電子を高速化でき、発光装置の発光効率を向上することができる。
【００１４】
また請求項５の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極によって加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記第二電子加速電極の近傍に配置された第三電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極および前記引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極および前記第二電子加速電極により加速された電子が前記第三電子加速電極に加える電圧により発生する電界によって電子の飛翔方向が曲げられることにより前記第二電子加速電極に衝突する電子の数を少なくし、前記電子が飛翔し、加速されて前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に前記電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、前記電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置である。本発明の構成を備えることにより、後記段落「００２８」に記載するように、エミッションされた電子を効率的に加速・制御することができ、発光装置を効率的に作動させることができる。
【００１５】
また請求項６の発明は、電子をエミッションするカソードと、前記カソードとの間に電界をかけて前記カソードから電子を引き出す電子引出電極と、引き出された電子を加速する第一電子加速電極と、前記カソードからエミッションされ、前記第一電子加速電極によって加速された電子を収集するコレクタと、前記第一電子加速電極の近傍に配置された第二電子加速電極と、前記第二電子加速電極の近傍に配置された第三電子加速電極と、前記コレクタと前記第一電子加速電極と前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極および前記電子引出電極とを相互に電気的に絶縁する絶縁部材と、蛍光部材と、を有し、前記カソードに接近して配置された前記電子引出電極において、前記カソードを負電極とし、前記電子引出電極を正電極とするパルス電圧を加えることにより、前記カソードから電子をエミッションさせ、前記第一電子加速電極を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によって加速された前記電子が前記第一電子加速電極に衝突しないように、前記第二電子加速電極と前記第三電子加速電極を配置し、前記第二電子加速電極を負電極とし、前記第三電子加速電極を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によってエミッションされた前記電子の軌道が曲げられることにより、前記電子は前記第一電子加速電極から離れた軌道を飛翔して蛍光部材の方向に向い、前記蛍光部材に衝突して、前記蛍光部材を励起・発光させた後に、前記電子が前記コレクタに吸収されることにより負電荷にチャージされた前記コレクタを負電極とし、前記電子をエミッションした前記カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギーを実現することを特徴とする請求項１に記載の省エネルギー発光装置である。後述するように、カソードと電子引出電極を接近して配置することおよびパルス電圧を加えることにより、カソードのエミッション効率を上げ、前記複数個の電子加速電極を備えることにより電子の加速と制御の効果を上げ、発光装置の表示能力を向上させることができる。なお、前記いずれの発光装置においてもカソードとコレクタを正電極と負電極とすることにより、等価な電源を構成し、電力を回収・再利用してエネルギー源とすることにより、省エネルギー発光装置を実現することにおいて共通している。
【発明の効果】
【００１６】
携帯電話や持ち運び可能なパソコンなどはディスプレイを搭載しており、それを発光させるための電源として電池の負荷軽減は必須であり、エネルギー消費の少ない発光装置の開発が将来の情報機器の最重要課題である。本発明の省エネルギー発光装置においては、カソードからエミッションされる電子をコレクタで回収し、これを電気エネルギーとして再利用することにより、極めてエネルギー消費の少ない発光装置が開発される。本発明の発光装置を最適に設計することにより、ディスプレイの発光性能を安定させ、且つ低消費電力化するだけでなく、発光装置から電力を取り出して、他の集積回路の電源として利用することも可能となり、電池が小型軽量となり、消費エネルギーは極めて少なくなり、ディスプレイの高品質化も実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の態様を図１によって説明する。電子エミッション源（電子銃）は、カソード２と電子引出電極４と電子加速電極５から構成される。カソード２の材料にはカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）やダイヤモンド（ＤＬＣ）が好適に用いられる。真空容器１内において、カソード２と電子引出電極４の間に正電圧を加えると、電子ｅはカソード２からエミッションされ、真空中で電子加速電極５に加えられた正電極により、加速され、秒速６００Ｋｍ位の速度に容易に到達する。真空中を飛翔する電子は、最初に蒸着金属（メタルバック）６１に衝突するが、メタルバック６１の厚さは１００ｎｍ以下であるので、トンネル現象でそこを抜け、電子は蛍光部材６に衝突し、その運動エネルギーにより蛍光部材中の蛍光体が励起・発光し、蛍光部材６からの発光が外部から観測される。
【００１８】
しかし、この時点でも電子のチャージは残留している。電子がコレクタ７に接近するとコレクタ７は導電性物質であるので誘電現象によりコレクタ７には正電荷が誘導され、接近する電子とクーロン力で引き合う。最終的には電子はコレクタ７に衝突し吸収される。従って、コレクタ７は負電荷でチャージ・アップする。すなわち、コレクタ７には電子が蓄積されたことになる。一方、カソード２から電子がエミッションされたので、カソード２には正電荷が残存する。従って、コレクタ７の負電荷とカソード２の正電荷により、両者は電池の負電極と正電極と同じ作用をすることになる。そのため、例えばコレクタ７とカソード２の間にトランス９を接続すると、トランス９の１次側９１に電流が流れる。従って、トランスの２次側９２に電圧が電磁誘導されて、これによりＤＣ−ＤＣコンバータが構成され、他の回路において利用可能な電圧値に設定して電子的な負荷を接続することにより電力を取り出し、取り出した電力を再利用することが可能になり、結果的に省エネルギー効果が発揮される。
【００１９】
本発明における電力の損失と回収効率は次のようになる。上記した発光および電気回収・再利用の動作において、電子引出電極４に電圧を加えるので、そこでの漏れ電流などの損失として最大３％位が発生する。さらに、電子加速電極５に加える電源が消費する電力が最大１０％位になる。エミッションされた電子の殆ど全ては、コレクタ７に回収することができるが、電荷の漏れが最大５％位は発生する。さらに、電子引出電極４にはパルス状の電圧を加えると、電子エミッションを休止しながら電子をエミッションするので、蛍光部材６の耐久性が増す。電子引出電極４の電圧がパルス状であるので、そこに変位電流（コンデンサ電流）が流れることによる損失が最大１５％位になる。
【００２０】
なお、蛍光部材６に少し残光性のものを用いると、電子引出電極４に加えるパルス状電圧のエミッション休止期間にも発光を持続する。そのためパルス制御しても表示装置や照明装置の光源として用いた場合のちらつき（フリッカー）を防止することができる。
【００２１】
以上の損失を総計すると最大３３％となり、この装置を用いると、加えた全電力の６７％は回収することができる。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は９０％以上であるので、再利用可能電力は投入電力の６７×０．９＝６０．３となる。すなわち本発明の装置において約６０％の電力を回収することが可能となるので、従来の発光装置やディスプレイに比較して省エネルギーの発光装置が実現する。従って、その応用として照明装置、及びモバイル機器のディスプレイ等が好適である。携帯電話のディスプレイの消費電力が大幅に少なくなるので、モバイル機器に搭載する電池の小型軽量化が実現される。以下に実施例について述べるが、本発明の趣旨はこれらの実施例に限定されるものでは決してない。
【実施例１】
【００２２】
本発明の省エネルギー発光装置の実施例とその動作原理について図を用いてさらに詳しく説明する。装置は、図２に示すように、真空容器１内に、少なくともヒーター３、カソード２、電子引出電極４、電子加速電極５、蛍光部材層からなる発光部６、コレクタ７、及び絶縁部材８を備え、コレクタ７を負電極とし、カソード４を正電極とする等価電源を、真空容器外に配置した変圧器（トランス）９を介して形成している。変圧器９は１次側巻線（Ｐｒｉｍａｒｙ）９１と２次側巻線（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）９２からなり、１次側はカソード２とコレクタ７に接続され、２次側巻線９２の両端にはヒーター３の両端が接続されている。
【００２３】
次に動作原理を説明する。カソード２の周辺に配置したヒーター３に電流を流すことによりカソード２の温度を上昇させる。ヒーター３に加える電流は、図２に示す変圧器(transformer)９の２次側巻線９２から供給される。変圧器９の１次側巻線９１の一方の端子はカソード２に接続され、１次側巻線９１の他方の端子はコレクタ７に接続されている。コレクタ７から回収された電子は、変圧器９の１次側巻線９１を通過して、正電荷となったカソード２に復帰する。この際に変圧器９の磁気回路の磁力線の変化をもたらし、２次側巻線９２に電圧が誘導される。２次側巻線９２はカソード２の周辺に配置するヒーター３に接続されている。従って、ヒーター３に電流が流れることによりカソード２の温度が上昇し、熱電界放出が行われる。電子引出電極４に加える電圧を低下しても、多くの電子が安定してカソード２からエミッションすることが可能となる。
【００２４】
ところで、完全冷陰極方式においては、カソード２の先端の幾何学的な形状やその表面状態に依存して電子のエミッション量が決定されていた。しかし、ヒーター３を用いて加熱することにより、熱電界エミッション方式においては電子のエミッション量がカソード２の温度にも依存する傾向が強くなるので、カソード２の温度を制御することにより電子を安定してエミッションすることが可能となり、ディスプレイ装置における各カソード間の電子エミッション量のばらつきが少なくなるので、ディスプレイの画素の明るさのばらつきも少なくなり、高品質のディスプレイを実現することが可能となる。カソード２からの熱電界エミッション方式による電子のエミッション量は温度に比例して指数関数的に増加するので、カソード２の温度を少し上昇させることにより、電子引出電極４に加える電圧を低くしてもカソード２から電子を多量にエミッションすることが可能となるので、総合的には消費電力の少ないディスプレイが実現される。
【００２５】
しかも、熱電界エミッションの効果により、カソード２の表面がエミッションしやすいように良好な状態が保持されるので、真空度が少し低下しても良好なエミッションを持続することができる。高品質なＦＰＤを開発するには、本発明で提案する熱電界エミッション方式とエミッションされた電子の再利用を組み合わせる方法は低消費電力のディスプレイを開発するには必須の技術となる。
【実施例２】
【００２６】
図３において、カソード２と電子引出電極４との間にパルス状の電圧を加えることにより、電界を発生してカソードから電子を引き出し、電子引出電極４と第一電子加速電極５１との間に電圧を加えることにより電界を発生し、カソード２から引き出された電子を加速し、第一電子加速電極５１により加速された電子が蛍光部材６に接近する際に電子の蛍光部材６への衝突速度を増加するために、コレクタ７の近傍、好ましくはコレクタ７の背面に配置する第二電子加速電極５２に正電圧を加えることにより電界を発生し、飛翔速度を増加して電子を蛍光部材６に衝突させ、蛍光体を励起・発光させ、衝突した電子はコレクタ７に吸収され、飛翔電子がコレクタ７に吸収されることにより負電荷にチャージされたコレクタ７を負電極とし、電子をエミッションしたカソード２を正電極とする等価な電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギー発光装置を実現する。この際に、第一電子加速電極５１および第二電子加速電極５２および電子引出電極４との間は相互に電気的に絶縁する絶縁部材８が配置され、それらの間に電流が流れない方が電力損失は少なくなるので、省エネルギー効果がより強く発揮される。図３に示す発光装置において、蛍光部材６の前面に１００ｎｍ位の蒸着金属（メタルバック）６１を配置すると、蛍光部材６に衝突する電子はトンネル効果により蒸着金属６１を通過するので、蛍光部材６の衝突による破壊が緩和されて発光装置の耐久性が増す。さらに、図３において、第二電子加速電極５２は発光が透過することを目的として、グリットあるいはメッシュ状となる構造が好ましい。第二電子加速電極５２は導電性であり、光透過性であるための条件を満たす材料としてＩＴＯなどの光透過性導電性物質を用いることも可能である。同様に、コレクタ７も発光が透過することを目的として、グリットあるいはメッシュ状となる構造が好ましい。コレクタ７は導電性であり、光透過性であるための条件を満たす材料としてＩＴＯなどの光透過性の導電性物質を用いることも好ましい例である。
【実施例３】
【００２７】
図４において、カソード２と電子引出電極４との間にパルス状の電圧を加えることにより、電界を発生してカソード２から電子を引き出し、電子引出電極４と第一電子加速電極５１との間に電圧を加えることにより電界を発生し、カソード２から引き出された電子を加速し、第一電子加速電極５１により加速された電子が蛍光部材６に接近する際に電子の蛍光部材６への衝突速度を増加し、飛翔電子が第一電子加速電極５１に衝突する確率を低くするために、第二電子加速装置５２を第一電子加速装置５１の周辺に配置し、第一電子加速電極５１に対して第二電子加速電極５２に正の電圧を印加しておき、電子を第二電子加速装置５２の方向に飛翔させて、さらに、飛翔電子が第二電子加速電極５２に衝突することを避けるために、第三電子加速装置５３を第二電子加速装置５２の周辺に配置し、第二電子加速装置５２に対して第三電子加速装置５３に正の電圧を印加しておき、飛翔電子を第二電子加速装置５２と第三電子加速装置５３の間を通過させ、飛翔電子を蒸着金属６１の間をトンネル効果によって通過させて、電子を蛍光部材６に衝突させ、蛍光体を励起・発光させ、衝突した電子はコレクタ７に吸収され、飛翔電子がコレクタ７に吸収されることにより負電荷にチャージされたコレクタ７を負電極とし、電子をエミッションしたカソード２を正電極とする等価な電源から供給される電力を再利用することによって省エネルギー発光装置を実現する。この際に、第一電子加速電極５１および第二電子加速電極５２および第三電子加速電極５３および電子引出電極４との間は相互に電気的に絶縁する絶縁部材８が配置され、それらの間に電流が流れない方が電力損失は少なくなるので、省エネルギー効果がより効果的に発揮される。なお、図４に示す発光装置において、蛍光部材６の前面に１００ｎｍ位の蒸着金属６１を配置しているので、蛍光部材６に衝突する電子はトンネル効果により蒸着金属６１を通過するので、蛍光部材６１の衝突による破壊が緩和されて照明装置の耐久性が増す。図４に示す発光装置は多くの電子加速電極を配置するので、構造は複雑になるが、カソードから引き出すことができる電子の量を増加し、蛍光部材６に衝突する電子の速度の最適値も各電子加速電極に加える電圧を制御することにより決定することができるので、非常に効率が良く、しかも耐久性のある省エネルギーのディスプレイや照明装置を実現することが可能となる。
【００２８】
実施例３の作用原理を説明すると、図５に示すように、電子をエミッションするカソード２に極めて接近して配置された電子引出電極４は絶縁部材８に固定されているので、カソード２と電子引出電極４の間には殆ど電流が流れない。カソード２を負電極とし、電子引出電極４を正電極とするパルス電圧を加えることによりカソード２から電子引出電極４に向って電子がエミッションされ、電子引出電極４よりも充分に高い電圧を第一電子加速電極５１を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によってエミッションされた電子の軌道が曲げられて、速度を増加した電子が第一電子加速電極５１に向う。電子が第一電子加速電極５１に衝突しないように、第二電子加速電極５２と第三電子加速電極５３を第一電子加速電極５１の周辺に配置し、第二電子加速電極５２を負電極とし、第三電子加速電極５３を正電極とする電圧を加えることにより発生する電界によってエミッションされた電子の軌道が曲げられることにより、電子は第二電子加速電極５２から離れ、第三電子加速電極５３に接近する。第二電子加速電極５２と第三電子加速電極５３に加える電圧を調整すると、飛翔電子は第一電子加速電極５１に衝突せずに、第一電子加速電極５１と第三電子加速電極５３の間を通過して蛍光部材の方向に飛翔する。飛翔する電子は蛍光部材６に近づき、最終的には蛍光部材６に衝突することにより、蛍光体を励起・発光させる。従って、光エネルギーとして発光現象が起こり光を空間に放出し、電子の電荷はコレクタ７に吸収されることによりコレクタ７は負電荷にチャージされる。コレクタ７を負電極とし、電子をエミッションしたカソードを正電極とする等価な電源から供給される電力を再利用することによってエネルギーを有効に活用することが可能になる。再利用電力は他の電子回路のための電源としても利用可能である。さらに、再利用電力をＤＣ―ＤＣコンバータを利用して電圧と電流を変換することによりあらゆる種類の電子機器の電源として利用可能となり、結果的にはエネルギー消費の極めて少ないディスプレイや照明装置が実現され、情報機器あるいは生活必需品として産業上大きな貢献が期待できる。
【００２９】
本発明におけるカソード１０から電子が電子引出電極１１の作用によってエミッションされる原理的な機能に関して、図６を用いて説明する。電子をエミッションするカソード１０に対向し且つ接近して電子引出電極１１が配置され、電子引出電極１１に正の電圧が加えられることにより、電子引出電極１１に正電荷がチャージされる。正電荷をもつ原子核(nuclear)１２の周辺には電子(electron)が軌道(orbit)上に存在する。カソードの温度が低い場合には、軌道電子は原子核１２に近くの低い軌道(low
orbit)１３上に存在する。正電荷をチャージした電子引出電極１１がカソード１０に接近すると、電子引出電極１１内の正電荷と軌道上の電子の負電荷が互いにクーロン力により引き合う。その結果として、電子はよりエネルギーの高い外側の軌道(high
orbit)１４にシフトする。電子引出電極１１にチャージされる正電荷が充分に多い場合には、電子が原子核１２に拘束されている最もエネルギーの高い軌道（high
orbit）１４よりも外側に存在することになり、最終的には電子は原子核１２からの拘束から離脱して核外にエミッションされる。この現象を電子の電界エミッションと呼ぶ。
【００３０】
カソードに熱を加えると、電子が保有する運動エネルギーが大きくなり、前記したように電子は最低レベルの軌道(low orbit)１３から離れて、エネルギーの高い外側の軌道(high orbit)１４にシフトする。この状態で電子引出電極１１が接近し、その正電荷が負電荷をもつ電子にクーロン力として作用すると、電子は原子核１２の拘束から離脱して、核の外部にエミッションされる。カソード１０に加えられる熱と電子引出電極１１に加えられる電界が作用すると、熱電界エミッションが行われる。
【００３１】
電子をエミッションすることに投入するエネルギーを少なくするのは、出来る限り電子引出電極１１をカソード１０に接近させ、さらに適度の熱エネルギーをカソード１０に加える必要がある。電子がエミッションされる際には、電子が運動エネルギーを原子から持ち出すので、エミッションを持続するにはカソード１０に熱エネルギーなどを投入する必要がある。電子引出電極１１にチャージされる正電荷が多い場合や電子引出電極１１がカソード１０に充分に接近している場合には、正電荷と負電荷の間に働くクーロン力が充分に大きくなるので、電子がエミッションするために必要な投入エネルギーは小さくなる。低消費電力のディスプレイを実現するには、電子引出電極１１とカソード１０の距離を出来る限り短くし、適量の熱エネルギーを投入し、安定的で持続性のあるエミッション現象を起こす必要がある。
【００３２】
従って本発明の発光装置において最も好ましい実例としては、カソードにＣＮＴ(Carbon  Nano-Tube)を用いて電子銃を小形化し、電子引出電極との距離を短くすることにより電力消費を少なくして、コレクタを負電極とし、カソードを正電極とする等価な電源を形成し、前記電源から供給される電力を、カソードを加熱する熱源として再利用することにより、熱電界エミッション現象の効率化と安定化を図ることができ、省エネルギーのディスプレイなどの発光装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の原理を説明する概念図である。
【図２】本発明の実施例１を説明する概念図である。
【図３】本発明の実施例２を説明する概念図である。
【図４】本発明の実施例３を説明する概念図である。
【図５】本発明の実施例３の作動原理を説明する概念図である。
【図６】本発明の電子引出機能の作用原理を説明する概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・真空容器
２・・・カソード
３・・・ヒーター
４・・・電子引出電極
５・・・電子加速電極
５１・・・第一電子加速電極
５２・・・第二電子加速電極
５３・・・第三電子加速電極
６・・・蛍光部材
６１・・・蒸着金属（メタルバック）
７・・・コレクタ
８・・・絶縁部材
９・・・変圧器（トランス）
９１・・・一次側巻線（Primary）
９２・・・二次側巻線（Secondary）
１０・・・カソード
１１・・・電子引出電極
１２・・・原子核（nuclear）
１３・・・エネルギーの低い軌道(low orbit)
１４・・・エネルギーの高い外側の軌道(high orbit)
ｅ・・・電子（electron）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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